Em meados do século 20, o conceito de “zoológico de partículas” apareceu na física, significando uma variedade de constituintes elementares da matéria, que os cientistas encontraram após a criação de aceleradores suficientemente poderosos. Um dos habitantes mais numerosos do "zoológico" eram objetos chamados mésons. Esta família de partículas, juntamente com os bárions, está incluída no grande grupo de hádrons. Seu estudo possibilitou penetrar em um nível mais profundo da estrutura da matéria e contribuiu para a ordenação do conhecimento sobre ela na moderna teoria das partículas e interações fundamentais - o Modelo Padrão.
Histórico de descobertas
No início da década de 1930, depois de esclarecida a composição do núcleo atômico, surgiu a questão sobre a natureza das forças que asseguravam sua existência. Ficou claro que a interação que liga os nucleons deve ser extremamente intensa e realizada através da troca de certas partículas. Cálculos realizados em 1934 pelo teórico japonês H. Yukawa mostraram que esses objetos são 200-300 vezes maiores que o elétron em massa e,respectivamente, várias vezes inferior ao próton. Mais tarde receberam o nome de mésons, que em grego significa "meio". No entanto, sua primeira detecção direta acabou sendo uma "falha de ignição" devido à proximidade das massas de partículas muito diferentes.
Em 1936, foram descobertos em raios cósmicos objetos (chamados mu-mésons) com massa correspondente aos cálculos de Yukawa. Parecia que o quantum procurado de forças nucleares havia sido encontrado. Mas então descobriu-se que os mésons mu são partículas que não estão relacionadas às interações de troca entre os nucleons. Eles, juntamente com o elétron e o neutrino, pertencem a outra classe de objetos no microcosmo - os léptons. As partículas foram renomeadas como múons e a busca continuou.
Yukawa quanta foram descobertos apenas em 1947 e foram chamados de "pi-mésons", ou píons. Descobriu-se que um pi-meson eletricamente carregado ou neutro é de fato a partícula cuja troca permite que os nucleons coexistam no núcleo.
Estrutura do méson
Ficou claro quase imediatamente: as peônias chegaram ao “zoológico de partículas” não sozinhas, mas com vários parentes. No entanto, foi devido ao número e variedade dessas partículas que foi possível estabelecer que são combinações de um pequeno número de objetos fundamentais. Quarks acabaram por ser tais elementos estruturais.
Meson é um estado ligado de um quark e um antiquark (a conexão é realizada por meio de quanta de interação forte - glúons). A carga "forte" de um quark é um número quântico, convencionalmente chamado de "cor". No entanto, todos os hádronse mésons entre eles, são incolores. O que isso significa? Um méson pode ser formado por um quark e um antiquark de diferentes tipos (ou, como dizem, sabores, “sabores”), mas sempre combina cor e anticor. Por exemplo, π+-meson é formado por um par de u-quark - anti-d-quark (ud̄), e a combinação de suas cargas de cor pode ser "azul - anti- azul", "vermelho - anti-vermelho" ou verde-anti-verde. A troca de glúons altera a cor dos quarks, enquanto o méson permanece incolor.
Quarks de gerações mais antigas, como s, c e b, dão os sabores correspondentes aos mésons que formam - estranheza, encanto e encanto, expressos por seus próprios números quânticos. A carga elétrica inteira do méson é composta pelas cargas fracionárias das partículas e antipartículas que o formam. Além desse par, chamado quarks de valência, o méson inclui muitos pares virtuais ("mar") e glúons.
Mésons e forças fundamentais
Mesons, ou melhor, os quarks que os compõem, participam de todos os tipos de interações descritas pelo Modelo Padrão. A intensidade da interação está diretamente relacionada à simetria das reações causadas por ela, ou seja, à conservação de certas quantidades.
Os processos fracos são os menos intensos, eles conservam energia, carga elétrica, momento, momento angular (spin) – ou seja, apenas as simetrias universais atuam. Na interação eletromagnética, os números quânticos de paridade e sabor dos mésons também são conservados. Estes são os processos que desempenham um papel importante nas reaçõesdecadência.
A interação forte é a mais simétrica, preservando outras quantidades, em particular, isospin. É responsável pela retenção de nucleons no núcleo através da troca iônica. Ao emitir e absorver mésons pi carregados, o próton e o nêutron sofrem transformações mútuas e, durante a troca de uma partícula neutra, cada um dos nucleons permanece ele mesmo. Como isso pode ser representado no nível dos quarks é mostrado na figura abaixo.
A interação forte também governa a dispersão de mésons por nucleons, sua produção em colisões de hádrons e outros processos.
O que é quarkônio
A combinação de um quark e um antiquark do mesmo sabor é chamada de quarkonia. Este termo é geralmente aplicado a mésons que contêm quarks c e b massivos. Um quark t extremamente pesado não tem tempo para entrar em um estado ligado, decaindo instantaneamente em estados mais leves. A combinação cc̄ é chamada charmonium, ou uma partícula com encanto oculto (J/ψ-meson); a combinação bb̄ é bottomonium, que tem um encanto oculto (Υ-meson). Ambos são caracterizados pela presença de muitos estados ressonantes - excitados.
Partículas formadas por componentes leves - uū, dd̄ ou ss̄ - são uma superposição (superposição) de sabores, pois as massas desses quarks são de valores próximos. Assim, o neutro π0-méson é uma superposição dos estados uū e dd̄, que possuem o mesmo conjunto de números quânticos.
Instabilidade do méson
A combinação de partícula e antipartícula resulta emque a vida de qualquer méson termina em sua aniquilação. O tempo de vida depende de qual interação controla o decaimento.
- Mesons que decaem pelo canal da aniquilação "forte", digamos, em glúons com o subsequente nascimento de novos mesons, não vivem muito tempo - 10-20 - 10 - 21 p. Um exemplo de tais partículas é quarkonia.
- Aniquilação eletromagnética também é bastante intensa: o tempo de vida do méson π0, cujo par quark-antiquark se aniquila em dois fótons com probabilidade de quase 99%, é de cerca de 8 ∙ 10 -17 s.
- Aniquilação fraca (decaimento em léptons) ocorre com muito menos intensidade. Assim, um píon carregado (π+ – ud̄ – ou π- – dū) vive bastante tempo – em média 2,6 ∙ 10-8 se geralmente decai em um múon e um neutrino (ou as antipartículas correspondentes).
A maioria dos mésons são as chamadas ressonâncias de hádrons, fenômenos de curta duração (10-22 – 10-24 c) que ocorrem em certas faixas de alta energia, semelhantes aos estados excitados do átomo. Eles não são registrados nos detectores, mas são calculados com base no balanço de energia da reação.
Spin, momento orbital e paridade
Ao contrário dos bárions, os mésons são partículas elementares com um valor inteiro do número de spin (0 ou 1), ou seja, são bósons. Os quarks são férmions e possuem spin semi-inteiro ½. Se os momentos de momento de um quark e um antiquark são paralelos, então seusa soma - spin do meson - é igual a 1, se antiparalela, será igual a zero.
Devido à circulação mútua de um par de componentes, o méson também possui um número quântico orbital, que contribui para sua massa. O momento orbital e o spin determinam o momento angular total da partícula, associado ao conceito de paridade espacial ou P (uma certa simetria da função de onda em relação à inversão do espelho). De acordo com a combinação de spin S e paridade P interna (relacionada ao próprio referencial da partícula), os seguintes tipos de mésons são distinguidos:
- pseudoescalar - o mais leve (S=0, P=-1);
- vetor (S=1, P=-1);
- escalar (S=0, P=1);
- pseudo-vetor (S=1, P=1).
Os últimos três tipos são mésons muito massivos, que são estados de alta energia.
Simetrias isotópicas e unitárias
Para a classificação dos mésons é conveniente usar um número quântico especial - spin isotópico. Em processos fortes, partículas com o mesmo valor de isospin participam simetricamente, independentemente de sua carga elétrica, e podem ser representadas como diferentes estados de carga (projeções de isospin) de um objeto. Um conjunto de tais partículas, que são muito próximas em massa, é chamado de isomúltipla. Por exemplo, o isotripleto de píon inclui três estados: π+, π0 e π--meson.
O valor de isospin é calculado pela fórmula I=(N–1)/2, onde N é o número de partículas no multipleto. Assim, o isospin de um píon é igual a 1, e suas projeções Iz em uma carga especialespaço são respectivamente +1, 0 e -1. Os quatro mésons estranhos - kaons - formam duas isoduplas: K+ e K0 com isospin +½ e estranheza +1 e o dubleto de antipartículas K- e K̄0, para os quais esses valores são negativos.
A carga elétrica dos hádrons (incluindo os mésons) Q está relacionada com a projeção isospin Iz e a chamada hipercarga Y (a soma do número bariônico e todos os sabores números). Essa relação é expressa pela fórmula de Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. É claro que todos os membros de um multipleto têm a mesma hipercarga. O número bariônico de mésons é zero.
Então, os mésons são agrupados com spin e paridade adicionais em supermúltiplos. Oito mésons pseudoescalares formam um octeto, partículas vetoriais formam um nonet (nove), e assim por diante. Esta é uma manifestação de uma simetria de nível superior chamada unitária.
Mesons e a busca por Novas Físicas
Atualmente, os físicos estão buscando ativamente fenômenos, cuja descrição levaria à expansão do Modelo Padrão e a ir além dele com a construção de uma teoria mais profunda e geral do micromundo - Nova Física. Supõe-se que o Modelo Padrão entrará nele como um caso limitante de baixa energia. Nesta busca, o estudo dos mésons desempenha um papel importante.
De particular interesse são os mésons exóticos - partículas com uma estrutura que não se encaixa na estrutura do modelo usual. Assim, no Grande HádronCollider em 2014 confirmou o tetraquark Z(4430), um estado ligado de dois pares quark-antiquark ud̄cc̄, um produto de decaimento intermediário do belo méson B. Esses decaimentos também são interessantes em termos da possível descoberta de uma hipotética nova classe de partículas - os leptoquarks.
Os modelos também preveem outros estados exóticos que devem ser classificados como mésons, pois participam de processos fortes, mas possuem número bariônico zero, como as bolas de cola, formadas apenas por glúons sem quarks. Todos esses objetos podem reabastecer significativamente nosso conhecimento da natureza das interações fundamentais e contribuir para o desenvolvimento da física do micromundo.
